BIM與IoT融合技術在延慶冬奧村PPP工程施工階段的應用

文|萬仁威 殷博

一、項目概況

1.項目簡介

延慶冬奧村項目由中建一局華江建設有限公司承建，位于北京2022年冬奧會延慶賽區內，為高海拔延慶海坨山區，距北京市區100 公里，是冬奧村高山滑雪項目的舉辦地。本工程為其配套的冬奧村北區，位于一個多層臺地古村落區域，項目施工部分是其中靠北的5 個建筑組團，建筑面積58100m2，工程主體為鋼結構，總用鋼量為 9400t，施工總工期 733 天（圖1）。

圖1 延慶冬奧村項目效果圖

2.項目創新性

本項目為高質量標準的奧運工程，地理位置特殊，且為中國首例土地使用權、總承包建設權、賽后運營權三合一的招標PPP 項目，在冬奧會結束后本項目將被改造為一個滑雪度假酒店，因此項目的BIM 及數字化技術應用跨越深化設計與施工管理，并需要為后期運維階段提供符合要求的模型和數據。

3.項目難點

團隊根據本項目各方面情況總結了工程中四個方面的重難點：

一是高海拔多層臺地地形：施工場地東西向和南北向均存在30～42m 的高差，山林遍布，土方挖掘、場地規劃、物資運輸、場地安全等高海拔山區環境為項目施工帶來種種困難。

二是奧運賽事級驗收標準：舉國關注，責任重大。整體工程必創“中國鋼結構金獎”，最終爭創“魯班獎”，各項高標準促使項目團隊使用高效的技術管理手段全方面提高施工及質量水平。

三是綠色奧運，超低能耗：秉承綠色奧運的設計理念，第六運動員組團被立項為第二批北京市超低能耗試點建筑。因地處山地，各項指標都區別于常規地理位置，加之外圍護結構相對復雜且造型特殊，需要利用新的手段對超低能耗建筑標準的施工選材、工藝和驗收進行控制。

四是PPP 工程：本項目是中國首例集土地使用權、總承包建設權、賽后運營權三合一的招標項目，BIM 管理定位前后延伸，從施工階段、賽事階段及運維階段推進BIM 在真正意義上的全生命期中的應用價值。

4.應用目標

針對本項目的重難點，總結以下BIM 技術解決方案的應用目標：

一是多專業設計優化：通過BIM 相關設計輔助軟件，對工程機電安裝、鋼結構、超低能耗等專業圖紙進行深化設計，并以多種可視化的形式提升溝通效率，提前發現設計缺陷，避免后期施工返工的情況和資源浪費。

二是施工管理提升：利用三維掃描技術，快速采集高山場地信息，輔助場地規劃、土方管理；同時結合智慧工地物聯網技術，從進度、勞務、等方面提高施工管理效率。

三是面向PPP 運維的數據準備：為后期搭設BIM 智能運維平臺進行模型和數據流程的準備工作，探索模型交付標準和數據需求，以便在冬奧會賽事期間以及改造結束后對奧運村進行智能運維管理（表1）。

表1 冬奧村數字技術應用內容

二、BIM 整體方案

針對以上項目需要攻克的技術、管理及業務上的難點，項目團隊策劃了一系列應用實施方案。

1.組織架構與分工

在人力組織架構方面，作為冬奧PPP 工程，本項目的BIM 及數字化技術的實施包含中建一局項目團隊及PPP 管理單位——國家高山滑雪有限公司。形成以業主需求為導向， 總包過程實施為基礎的多方協作BIM 管理模式（圖2）。

圖2 項目組織架構圖

2.軟、硬件配置（表2）

表2 冬奧村數字技術應用軟、硬件一覽表

3.標準保障

本工程的模型標準按照《中建一局工程施工BIM 建模標準》執行。智慧工地建設標準參考《北京市智慧工地技術規程》DB11/T 1710—2019 執行。

三、BIM 實踐過程

1.人員技術培訓

項目團隊在前期針對項目全體成員進行了BIM 技術基礎理論、智慧工地實施方案的內部培訓，并邀請各軟、硬件廠商針對不同崗位進行BIM 相關軟件和智慧工地平臺模塊的操作培訓。

2.技術應用過程

本工程的數字化技術應用主要圍繞特殊山地地形場地管理、優質鋼結構工程質量控制以及BIM+物聯網提升施工管理效率三個方面。

（1）特殊山地地形場地管理

本工程位于海坨山高海拔臺地，地形層疊錯落，團隊從特殊地形的部署規劃、土方成本及場地安全角度進行了數字化技術應用。

高海拔山地地形數字化應用：由于冬奧會高山滑雪賽區地形特殊，為高海拔的山地及多層臺地地形，傳統的GPS 場地測繪精度低，操作危險且耗時較長，因此團隊額外采用了三維掃描的方式來獲取整個場地的精準模型。

首先是通過多點設站，利用三維掃描儀對開挖前后的基坑土方進行掃描，完成了精度2mm 以內的施工場地點云模型，并與土方方格網測量數據及地勘報告進行校核，完成最終的場地數字化模型，整個數據采集過程用時3 天，大幅提升了測量效率。

之后再將三維點云模型導入Revit 中進行逆向建模，形成了場地的實體BIM 模型，縮短了大量場地建模時間，再對其按施工計劃分階段進行施工現場、生活區規劃等場地三維可視化動態規劃工作，幫助團隊更高效準確地完成高山場地的場地規劃和模擬工作（圖3）。

圖3 BIM 三維場地布置規劃

山地土方算量：使用傳統的GPS+方格網對高山臺地地形進行土方量計算難以得到足夠準確的數據，因此團隊將該點云模型逆向建模后與最終基坑BIM 模型進行核減處理，用于土方量的精準把控。

土方算量中，對于三維掃描和BIM 的數據目前還比較謹慎，目前方格網數據仍是主要的土方工程成本的審核依據，因此利用好BIM 技術來進行精細化管理和成本結算創效就有了較大的潛力。

山地基坑放坡的情況在臺地交接部分需要特殊處理，在BIM 建模時也特別考慮了這個部分，最終由技術和商務人員將BIM+三維點云的計算結果作為總包的內控標準量（圖4）。

圖4 在 Revit 中進行土方計算

團隊將三維掃描與BIM 出的量作為土方實際標準量與土方各工程下游企業交接，并將該量作為總包內控的標準量，大幅提升了總包的土方成本管控精度。

永久性高邊坡應力監測系統：項目的北側有一條長約120m 的永久性高邊坡防護結構，是保證冬奧區域土地安全的重要屏障，但由于山地、大風、暴雨、大雪等極端天氣比較多，第三方檢測單位無法隨時進行數據采集，而這個時候往往也是事故發生的時候。

因此，項目團隊使用了一套針對高邊坡應力安全的監控系統，在工程最北側危險系數最大的永久性高邊坡結構中，每間隔30m 布設測斜傳感器、位移傳感器和高精度靜力水準儀（圖5），加之遠程物聯網傳輸模塊，形成自動物聯網應力監測傳感系統，并且將該系統與項目智慧工地平臺進行聯動，讓管理人員能夠實時通過電腦端和手機端查看監控數據并接收報警信息，為施工和冬奧村的后期使用提供了重要安全保障。

圖5 高邊坡監測傳感器定期檢查

（2）BIM+ 智慧工地技術在PPP 工程管理中的運用

BIM 模型和數據面向全生命期：PPP 工程數字化應用最重要的基礎就是整個生命期模型和數據的傳遞，具體每個階段會產生的數據，下一個階段需要接收的數據，以及最終會形成的成果，圍繞冬奧村的項目需求，團隊對各階段都進行了規劃和梳理，并形成了一個全過程的模型和數據管理計劃。圖6所示的傳遞流程圖包含了各專業設計數據到最終商業運維的所有數據大類內容，這種面向全生命期的 Open-BIM 管理流程對 PPP 工程能夠產生巨大的效益。

圖6 全生命期模型和數據傳遞示意

在模型的使用上，團隊也以PPP 項目管理的模式為基礎，把模型作為設計、業主、分包進行技術溝通的重要依據和形式，還聯合外部技術團隊僅用時一天通過Unity 制作了BIM+VR 機房沉浸式會議室，并進行了一次機房深化協調內部會議的嘗試，由于目前硬件成本較高，未進行大范圍使用，但其體感效果真實、不受地域限制、數據記錄便捷的特點得到了多方的肯定，在一些重要工程技術方案論證和特殊精裝設計協同會議中有很大的應用潛力。

為提升工程交付質量，在二次結構完工的部位使用了可以現場直接進行質量數據采集并與BIM比對分析的新一代點云處理技術，該技術能夠直接通過現場操作平板進行點云自動拼接，在現場就可以檢查比對多個部位的施工偏差，相較于傳統掃描技術的質量對比，節省了80%的后期操作時間。

冬奧村秉承綠色奧運的設計理念，要求其中一個運動員組團最終以超低能耗標準進行建設，團隊選取了一個校準的運動員房間，通過對其裝修做法、墻面、樓地面、門窗材料進行模擬，通過Revit 進行綜合的能耗參數的計算，選擇既滿足北京市超低能耗標準，又符合成本、工期以及施工條件要求的工藝及材料清單，節省大量施工方案的編制論證時間，樣板的建設工期提前了3 天。

智慧平臺提升管理效率：為了提高項目的協調管理能力，保證冬奧會硬性節點進度，項目團隊采用了基于BIM 和多種物聯網設備的智慧工地平臺，除了將永久性高邊坡監控系統接入平臺外，還主要包括以下三個方面（圖7）。

圖7 BIM5D+智慧工地數據決策系統

一是生產大數據處理。首先在勞務方面，團隊考慮各組團施工隊伍的人數較為分散，同時工地存在夜間施工、山林臨區防火、安全巡視的要求，團隊對現場勞務人員，尤其是施工周期較長的鋼結構、市政分包的勞務人員，采用了智能勞務系統。通過物聯感應能夠在三維BIM 地圖上，直觀顯示現場勞務的分布情況，提升團隊對于山區施工勞務人員的管理效率。

二是AI 視頻全天候監控。由于冬奧工程現場是與生活區分離的，且施工現場高差較大，因此現場布控了30 余個監控視頻，并將所有視頻監控都歸集到智慧工地平臺之中，利用現場三維地圖隨時通過網頁、手機查看現場情況，同時通過AI 圖像識別程序，將現場未佩戴安全帽、反光衣、防疫口罩的情況自動識別并儲存，作為團隊分包安全管理問責的重要依據，提升施工人員安全意識（圖8）。

圖8 智慧工地 AI 視頻監控網頁端截圖

三是物聯網施工數據采集。將高邊坡物聯網監測、視頻安全監控、勞務管理、質量安全等數據，錄入BIM 智慧工地系統中的項目報表模板，通過自動處理以上物聯網采集的數據的后臺中心，將公司的技術質量項目管理章程移植到平臺中，讓智慧工地直接導出可存檔的報表，改善了現場管理人員填寫各類生產報表的情況，提升了項目的報表整理效率。

（3）優質鋼結構工程質量控制

首先施工總包直接接收了鋼結構設計方基于BIM 的設計模型和出圖，并能夠直接交付加工廠，根據冬奧村流水施工進度進行快速工業化排產。

為保證結構本身質量避免鋼結構后期開洞，團隊也針對鋼結構及機電交叉的部位進行了基于BIM的三維深化交底出圖，避免機電安裝出現碰撞開洞和返工的情況。

為了提升現場鋼結構施工安裝的效率，團隊向重要的安裝節點通過二維碼的形式進行了可視化的張貼交底，張貼在現場對應的位置供安裝工人隨時查看。

在施工現場影響鋼結構施工質量和進度有另一個關鍵因素就是鋼構件的吊裝，而在高海拔山地的冬奧區域施工，為了保證吊裝安全施工，同時考慮山上的風力較大以及風荷載的影響，團隊采用了塔吊制動系統（圖9）。

圖9 智慧工地塔吊監控系統網頁端

團隊將塔吊制動系統與BIM 場地模型進行掛接，由于山地風荷載強勁，曾發生過多次誤報警并強制制動的情況，反而給現場正常施工造成了障礙，因此團隊聯合塔吊公司、制動系統技術人員一起專門針對塔吊的構件吊重進行了校核，并對制動機制進行了調試。

通過鋼結構全流程的數字化管控，本項目成為首個結構封頂的冬奧運動員公寓，本工程也榮獲了2020年中國鋼結構質量金獎。

四、BIM 實踐總結

數字化土方工程成本管控技術應用效益顯著。團隊對比了方格網與三維掃描+BIM 在山地地形建筑土方測繪中的功效，三維掃描+BIM 在人工、工期、精度、操作安全方面都有著巨大的優勢，而最終的技術也減少了20%的土方成本。但該項應用也存在一些問題。比如在應用過程中發現土方測量軟件如南方Cass、Arcgis 與Revit 之間要進行數據模型數據交換且較為困難，從Revit 要導出5×5方格網坐標，需要用虛擬參照平面功能畫出所有測繪點，在通過CAD 進行數據標注讀取導出文本，再導入其他軟件（圖10）。

圖10 三維掃描土方測算與傳統土方測算工效對比

隨著物聯網技術覆蓋越來越廣，以上類似的問題還是持續凸顯，但我們認為基于BIM、物聯網和大數據進行工程管理將是未來工程管理的必然趨勢，相信通過大量工程的應用實踐以及行業大數據意識的提升，將引發建筑行業的一系列智能化升級轉型（表3）。

表3 冬奧村智慧物聯網技術應用優劣勢總結表

五、下一步規劃

目前項目團隊已經聯合成本工程師總結了一套基于BIM 和三維掃描技術的土方成本管控指引，計劃在其他新開項目中進行推廣。

施工模型數據按照運維需求進行數據篩選和更改，形成可交付的竣工模型，為接入后期運維系統做好數據和模型基礎。

同時，智慧工地在施工階段所形成的數據和應用經驗也將編入延慶冬奧村綜合施工技術課題報告中，形成企業技術文獻資料。